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  <title>zookeeper的zab协议 | JAVA</title>
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  <meta name="description" content="前言Zab（Zookeeper Atomic Broadcast）是为ZooKeeper协设计的崩溃恢复原子广播协议，它保证zookeeper集群数据的一致性和命令的全局有序性。 概念介绍在介绍zab协议之前首先要知道zookeeper相关的几个概念，才能更好的了解zab协议。  集群角色 Leader: 同一时间集群总有允许有一个Leader,提供对客户端的读写功能，负责将数据同步至各个节点。">
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          <section id="main" style="float:none;"><article id="post-ZooKeeper的ZAB协议" style="width: 75%; float:left;" class="article article-type-post" itemscope itemprop="blogPost">
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    <h1 class="thumb" itemprop="name">
      ZooKeeper的ZAB协议
    </h1>
  

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    <div class="article-meta">
      
	<a href="/2020/12/11/ZooKeeper的ZAB协议/" class="article-date">
	  <time datetime="2020-12-11T07:07:32.000Z" itemprop="datePublished">2020-12-11</time>
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        <h2 id="前言"><a href="#前言" class="headerlink" title="前言"></a>前言</h2><p>Zab（Zookeeper Atomic Broadcast）是为ZooKeeper协设计的崩溃恢复原子广播协议，它保证zookeeper集群数据的<strong>一致性和命令的全局有序性。</strong></p>
<h2 id="概念介绍"><a href="#概念介绍" class="headerlink" title="概念介绍"></a>概念介绍</h2><p>在介绍zab协议之前首先要知道zookeeper相关的几个概念，才能更好的了解zab协议。</p>
<ul>
<li><p><strong>集群角色</strong></p>
<p><strong>Leader</strong>: 同一时间集群总有允许有一个Leader,提供对客户端的读写功能，负责将数据同步至各个节点。</p>
<p><strong>Follower</strong>: 提供对客户端读功能,写请求则转发给Leader处理,当Leader崩溃失联之后，参与Leader选举</p>
<p><strong>Observer</strong>:不参与Leader选举</p>
</li>
<li><p><strong>服务状态</strong></p>
<ol>
<li>LOOKING：当节点认为群集中没有Leader，服务器会进入LOOKING状态，目的是为了查找或者选举Leader；</li>
<li>FOLLOWING：follower角色；</li>
<li>LEADING：leader角色；</li>
<li>OBSERVING：observer角色；</li>
</ol>
<p>Zookeeper是通过自身的状态来区分自己所属的角色，来执行自己应该的任务。</p>
<p><strong>ZAB状态</strong>Zookeeper还给ZAB定义的4中状态，反应Zookeeper从选举到对外提供服务的过程中的四个步骤。状态枚举定义：</p>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="keyword">public</span> <span class="keyword">enum</span> ZabState &#123;</span><br><span class="line">    ELECTION, <span class="comment">// 集群进入选举状态，此过程会选出一个节点作为leader角色；</span></span><br><span class="line">    DISCOVERY,<span class="comment">// 连接上leader，响应leader心跳，并且检测leader的角色是否更改，通过此步骤之后选举出的leader才能执行真正职务；</span></span><br><span class="line">    SYNCHRONIZATION,<span class="comment">// 整个集群都确认leader之后，将会把leader的数据同步到各个节点，保证整个集群的数据一致性；</span></span><br><span class="line">    BROADCAST<span class="comment">// 过渡到广播状态，集群开始对外提供服务。</span></span><br><span class="line">&#125;</span><br></pre></td></tr></table></figure>
</li>
<li><p><strong>Zxid</strong></p>
<p>Zxid是Zab协议的一个事务编号,Zxid是一个64位数字,其中低32位是一个简单的单调递增计数器,针对客户每个一个事务请求,计数器+1；而高32位则代表Leader周期年代编号（epoch）。</p>
</li>
</ul>
<h2 id="选举"><a href="#选举" class="headerlink" title="选举"></a>选举</h2><h3 id="选举时机"><a href="#选举时机" class="headerlink" title="选举时机"></a>选举时机</h3><ul>
<li><strong>服务器初始化启动</strong></li>
<li><strong>服务器运行期间Leader故障</strong></li>
</ul>
<h3 id="启动时选举"><a href="#启动时选举" class="headerlink" title="启动时选举"></a>启动时选举</h3><p>假设一个 Zookeeper 集群中有5台服务器，id从1到5编号，并且它们都是最新启动的，没有历史数据</p>
<p><img src="https://jameslin23.gitee.io/2020/12/11/ZooKeeper%E7%9A%84ZAB%E5%8D%8F%E8%AE%AE/image-20201211154630630.png" alt="image-20201211154630630"></p>
<p>假设服务器依次启动，我们来分析一下选举过程：</p>
<p><strong>（1）服务器1启动</strong></p>
<p>发起一次选举，服务器1投自己一票，此时服务器1票数一票，不够半数以上（3票），选举无法完成。</p>
<p>投票结果：服务器1为1票。</p>
<p>服务器1状态保持为<code>LOOKING</code>。</p>
<p><strong>（2）服务器2启动</strong></p>
<p>发起一次选举，服务器1和2分别投自己一票，此时服务器1发现服务器2的id比自己大，更改选票投给服务器2。</p>
<p>投票结果：服务器1为0票，服务器2为2票。</p>
<p>服务器1，2状态保持<code>LOOKING</code></p>
<p><strong>（3）服务器3启动</strong></p>
<p>发起一次选举，服务器1、2、3先投自己一票，然后因为服务器3的id最大，两者更改选票投给为服务器3；</p>
<p>投票结果：服务器1为0票，服务器2为0票，服务器3为3票。此时服务器3的票数已经超过半数（3票），<strong>服务器3当选<code>Leader</code></strong>。</p>
<p>服务器1，2更改状态为<code>FOLLOWING</code>，服务器3更改状态为<code>LEADING</code>。</p>
<p><strong>（4）服务器4启动</strong></p>
<p>发起一次选举，此时服务器1，2，3已经不是LOOKING 状态，不会更改选票信息。交换选票信息结果：服务器3为3票，服务器4为1票。此时服务器4服从多数，更改选票信息为服务器3。</p>
<p>服务器4并更改状态为<code>FOLLOWING</code>。</p>
<p><strong>（5）服务器5启动</strong></p>
<p>与服务器4一样投票给3，此时服务器3一共5票，服务器5为0票。</p>
<p>服务器5并更改状态为<code>FOLLOWING</code>。</p>
<p><strong>最终的结果</strong>：</p>
<p>服务器3是 <code>Leader</code>，状态为 <code>LEADING</code>；其余服务器是 <code>Follower</code>，状态为 <code>FOLLOWING</code>。</p>
<h3 id="运行时期的Leader选举"><a href="#运行时期的Leader选举" class="headerlink" title="运行时期的Leader选举"></a>运行时期的Leader选举</h3><p>在Zookeeper运行期间 <code>Leader</code> 和 <code>非 Leader</code> 各司其职，当非Leader服务器宕机或者加入不会影响Leader，但是一旦Leader服务器挂了,那么整个Zookeeper集群将<strong>暂停对外服务</strong>,会触发新一轮的选举。</p>
<p>初始状态下服务器3当选为<code>Leader</code>，假设现在服务器3故障宕机了，此时每个服务器上zxid可能都不一样，server1为99，server2为102，server4为100，server5为101</p>
<p><img src="https://jameslin23.gitee.io/2020/12/11/ZooKeeper%E7%9A%84ZAB%E5%8D%8F%E8%AE%AE/image-20201211160106980.png" alt="image-20201211160106980"></p>
<p>（1）状态变更。Leader 故障后，余下的<code>非 Observer</code> 服务器都会将自己的服务器状态变更为<code>LOOKING</code>，然后开始进入<code>Leader选举过程</code>。</p>
<p>（2）每个Server会发出投票。</p>
<p>（3）接收来自各个服务器的投票，如果其他服务器的数据比自己的新会改投票。</p>
<p>（4）处理和统计投票，每一轮投票结束后都会统计投票，超过半数即可当选。</p>
<p>（5）改变服务器的状态，宣布当选。</p>
<p><img src="https://jameslin23.gitee.io/2020/12/11/ZooKeeper%E7%9A%84ZAB%E5%8D%8F%E8%AE%AE/image-20201211160848185.png" alt="image-20201211160848185"></p>
<h2 id="传递"><a href="#传递" class="headerlink" title="传递"></a>传递</h2><p>集群在经过leader选举之后还会有连接leader和同步两个步骤，这里就不具体分析这两个步骤的流程了，主要介绍集群对外提供服务如何保证各个节点数据的一致性。</p>
<p>zab在广播状态中保证以下特征</p>
<ul>
<li><strong>可靠传递:</strong> 如果消息m由一台服务器传递，那么它最终将由所有服务器传递。</li>
<li><strong>全局有序:</strong> 如果一个消息a在消息b之前被一台服务器交付，那么所有服务器都交付了a和b，并且a先于b。</li>
<li><strong>全局有序:</strong> 如果一个消息a在消息b之前被一台服务器交付，那么所有服务器都交付了a和b，并且a先于b。</li>
</ul>
<p><strong>有序性</strong>是zab协议必须要保证的一个很重要的属性，因为zookeeper是以类似目录结构的数据结构存储数据的，必须要求命名的有序性。</p>
<p>比如一个命名a创建路径为/test，然后命名b创建路径为/test/123，如果不能保证有序性b命名在a之前，b命令会因为父节点不存在而创建失败。</p>
<p><img src="https://jameslin23.gitee.io/2020/12/11/ZooKeeper%E7%9A%84ZAB%E5%8D%8F%E8%AE%AE/image-20201211161516253.png" alt="image-20201211161516253"></p>
<p>​              如上图所示，整个写请求类似一个<strong>二阶段</strong>的提交。</p>
<p>  当收到客户端的写请求的时候会经历以下几个步骤：</p>
<ol>
<li>Leader收到客户端的写请求，生成一个事务（Proposal），其中包含了zxid；</li>
<li>Leader开始广播该事务，需要注意的是所有节点的通讯都是由一个FIFO的队列维护的；</li>
<li>Follower接受到事务之后，将事务写入本地磁盘，写入成功之后返回Leader一个ACK；</li>
<li>Leader收到过半的ACK之后，开始提交本事务，并广播事务提交信息</li>
<li>从节点开始提交本事务。</li>
</ol>
<p>有以上流程可知，zookeeper通过二阶段提交来保证集群中数据的一致性，因为只需要收到过半的ACK就可以提交事务，所以zookeeper的数据<strong>并不是强一致性。</strong></p>
<p><strong>zab协议的有序性保证是通过几个方面来体现的，第一是，服务之前用TCP协议进行通讯，保证在网络传输中的有序性；第二，节点之前都维护了一个FIFO的队列，保证全局有序性；第三，通过全局递增的zxid保证因果有序性。</strong></p>
<h3 id="状态流转"><a href="#状态流转" class="headerlink" title="状态流转"></a>状态流转</h3><p>前面介绍了zookeeper服务状态有四种，ZAB状态也有四种。这里就简单介绍一个他们之间的状态流转，更能加深对zab协议在zookeeper工作流程中的作用。</p>
<p><img src="https://jameslin23.gitee.io/2020/12/11/ZooKeeper%E7%9A%84ZAB%E5%8D%8F%E8%AE%AE/image-20201211162550315.png" alt="image-20201211162550315"></p>
<ol>
<li>服务在启动或者和leader失联之后服务状态转为LOOKING</li>
<li>如果leader不存在选举leader，如果存在直接连接leader，此时zab协议状态为ELECTION</li>
<li>如果有超过半数的投票选择同一台server，则leader选举结束，被选举为leader的server服务状态为LEADING，其他server服务状态为FOLLOWING/OBSERVING</li>
<li>所有server连接上leader，此时zab协议状态为DISCOVERY</li>
<li>leader同步数据给learner，使各个从节点数据和leader保持一致，此时zab协议状态为SYNCHRONIZATION</li>
<li>同步超过一半的server之后，集群对外提供服务，此时zab状态为BROADCAST</li>
</ol>

      
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          <strong>本文作者:  </strong>LeBron Tao
          </li>
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          <a href="/2020/12/11/ZooKeeper的ZAB协议/" target="_blank" title="ZooKeeper的ZAB协议">https://jameslin23.gitee.io/2020/12/11/ZooKeeper的ZAB协议/</a>
          </li>
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      <div class="article-nav-title">ZooKeeper</div>
    </a>
  
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<!-- Table of Contents -->

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    <div id="toc" class="toc-article">
    <strong class="toc-title">文章目录</strong>
    
        <ol class="nav"><li class="nav-item nav-level-2"><a class="nav-link" href="#前言"><span class="nav-number">1.</span> <span class="nav-text">前言</span></a></li><li class="nav-item nav-level-2"><a class="nav-link" href="#概念介绍"><span class="nav-number">2.</span> <span class="nav-text">概念介绍</span></a></li><li class="nav-item nav-level-2"><a class="nav-link" href="#选举"><span class="nav-number">3.</span> <span class="nav-text">选举</span></a><ol class="nav-child"><li class="nav-item nav-level-3"><a class="nav-link" href="#选举时机"><span class="nav-number">3.1.</span> <span class="nav-text">选举时机</span></a></li><li class="nav-item nav-level-3"><a class="nav-link" href="#启动时选举"><span class="nav-number">3.2.</span> <span class="nav-text">启动时选举</span></a></li><li class="nav-item nav-level-3"><a class="nav-link" href="#运行时期的Leader选举"><span class="nav-number">3.3.</span> <span class="nav-text">运行时期的Leader选举</span></a></li></ol></li><li class="nav-item nav-level-2"><a class="nav-link" href="#传递"><span class="nav-number">4.</span> <span class="nav-text">传递</span></a><ol class="nav-child"><li class="nav-item nav-level-3"><a class="nav-link" href="#状态流转"><span class="nav-number">4.1.</span> <span class="nav-text">状态流转</span></a></li></ol></li></ol>
    
    </div>
  </aside>

</section>
        
      </div>
      
      <footer id="footer">
  

  <div class="container">
      	<div class="row">
	      <p> Powered by <a href="http://hexo.io/" target="_blank">Hexo</a> and <a href="https://github.com/iTimeTraveler/hexo-theme-hiker" target="_blank">Hexo-theme-hiker</a> </p>
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		    </p>
  		   
		</div>

		
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</footer>


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    var wrapdiv = document.getElementById("wrap");
    var contentdiv = document.getElementById("content");
    var allheader = document.getElementById("allheader");

    wrapdiv.style.minHeight = document.body.offsetHeight + "px";
    if (allheader != null) {
      contentdiv.style.minHeight = document.body.offsetHeight - allheader.offsetHeight - document.getElementById("footer").offsetHeight + "px";
    } else {
      contentdiv.style.minHeight = document.body.offsetHeight - document.getElementById("footer").offsetHeight + "px";
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    <a href="/" class="mobile-nav-link">Home</a>
  
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    <a href="/about" class="mobile-nav-link">About</a>
  
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<!-- mathjax config similar to math.stackexchange -->

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  MathJax.Hub.Config({
    tex2jax: {
      inlineMath: [ ['$','$'], ["\\(","\\)"] ],
      processEscapes: true
    }
  });
</script>

<script type="text/x-mathjax-config">
    MathJax.Hub.Config({
      tex2jax: {
        skipTags: ['script', 'noscript', 'style', 'textarea', 'pre', 'code']
      }
    });
</script>

<script type="text/x-mathjax-config">
    MathJax.Hub.Queue(function() {
        var all = MathJax.Hub.getAllJax(), i;
        for(i=0; i < all.length; i += 1) {
            all[i].SourceElement().parentNode.className += ' has-jax';
        }
    });
</script>

<script type="text/javascript" src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/mathjax/2.7.1/MathJax.js?config=TeX-AMS-MML_HTMLorMML">
</script>


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    <script src="https://s95.cnzz.com/z_stat.php?id=1260716016&web_id=1260716016" language="JavaScript"></script>
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	</script>






  </div>

  <div class="modal fade" id="myModal" tabindex="-1" role="dialog" aria-labelledby="myModalLabel" aria-hidden="true" style="display: none;">
  <div class="modal-dialog">
    <div class="modal-content">
      <div class="modal-header">
        <h2 class="modal-title" id="myModalLabel">设置</h2>
      </div>
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            夜间模式已经开启，再次单击按钮即可关闭 
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            <a data-toggle="collapse" data-parent="#accordion" href="#collapseThree" aria-expanded="true" aria-controls="collapseThree">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;关 于&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</a>
        </div>
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            JAVA
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            Copyright © 2021 LeBron Tao All Rights Reserved.
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